CHAPITRE? • La dynamique interne
Les expériences montrent que la convection opère lorsque Ra dépasse 1 (XX). À ce
moment, la vitesse d'une particule de fluide est similaire à celle de la diffusion, soit,
pour le manteau terrestre, 2,9-106 m/3-10" ans ~ 10-5 m an-1. Pour le manteau
terrestre, la vitesse caractéristique pourrait être celle de la plaque Pacifique froide qui
coule jusqu’au fond du manteau. Celle-ci vaut environ 0,1 man-1. Cette vitesse est
104 fois supérieure à celle qu’aurait le manteau pour Ra = 1 (XX), donc la valeur de r.ldv
correspondante serait 104 fois plus faible. Cela suggère que Ra pour le manteau terrestre
serait donc 103 x 104 = 107. Cette valeur est proche de celle que l’on détermine à partir
de la formule complète du nombre de Rayleigh employant les propriétés physiques des
roches. L’intérêt du nombre sans dimension est que n’importe quel système possédant
le même rapport entre Zdiff et radv produirait le même écoulement. 11 « suffit » donc de
construire une expérience dans une cuve avec un fluide par exemple, où les grandeurs
physiques produiraient un Ra de K)7 pour simuler la convection dans le manteau terrestre. En réalité, l’extrême complexité de la viscosité des roches et d’autres effets de
la pression sont pour l’instant impossibles à reproduire en laboratoire.
Méthode Modéliser la convection du manteau
La modélisation est une démarche visant à réduire un système à un problème qu'il
est possible d’expérimenter ou de mettre en équation, c’est-à-dire de contrôler. Un
modèle est fondé sur des hypothèses et permet de réaliser des prédictions, c’est-à-dire
de produire des données indépendantes de celles qui ont été utilisées pour construire
les hypothèses de départ.
La dynamique du manteau semble a priori impossible à modéliser avec une expérience,
puisque la déformation des roches est très lente et difficile à réaliser en laboratoire dans
les conditions naturelles. Comme on l’a vu précédemment, ce qui est important est le
rapport des temps caractéristiques, pas le temps caractéristique lui-même. Ainsi des
scientifiques ont trouvé des fluides et des conditions de laboratoire permettant d'obtenir
des propriétés analogues à celle de la convection du manteau terrestre. Par exemple, on
chauffe doucement du sirop de glucose dans une cuve de quelques dizaines de centimètres, et le tour est joué. L’intérêt de modéliser le phénomène par une expérience est
que l’analogue est naturel : il existe vraiment (figure 7.14).
Figure 7.14
Exemple
d’expérience
analogue de
convection dans le
manteau terrestre
à l’institut de
Physique du Globe
de Paris.
Pour simuler le chauffage interne opéré par la radioactivité dans le manteau, le fluide est
chauffé par un appareillage micro-ondes. 1 : caméras, 2 : scanner motorisé pour réaliser
des images du fluide en mouvement, 3 : point d'entrée du laser. 4 : tubes pour thermostater
le fluide, 5 : plaque refroidissante, 6 : cuve contenant le fluide, 7 : antenne micro-ondes.
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Les expériences montrent que la convection opère lorsque Ra dépasse 1 (XX). À ce
moment, la vitesse d'une particule de fluide est similaire à celle de la diffusion, soit,
pour le manteau terrestre, 2,9-106 m/3-10" ans ~ 10-5 m an-1. Pour le manteau
terrestre, la vitesse caractéristique pourrait être celle de la plaque Pacifique froide qui
coule jusqu’au fond du manteau. Celle-ci vaut environ 0,1 man-1. Cette vitesse est
104 fois supérieure à celle qu’aurait le manteau pour Ra = 1 (XX), donc la valeur de r.ldv
correspondante serait 104 fois plus faible. Cela suggère que Ra pour le manteau terrestre
serait donc 103 x 104 = 107. Cette valeur est proche de celle que l’on détermine à partir
de la formule complète du nombre de Rayleigh employant les propriétés physiques des
roches. L’intérêt du nombre sans dimension est que n’importe quel système possédant
le même rapport entre Zdiff et radv produirait le même écoulement. 11 « suffit » donc de
construire une expérience dans une cuve avec un fluide par exemple, où les grandeurs
physiques produiraient un Ra de K)7 pour simuler la convection dans le manteau terrestre. En réalité, l’extrême complexité de la viscosité des roches et d’autres effets de
la pression sont pour l’instant impossibles à reproduire en laboratoire.
Méthode Modéliser la convection du manteau
La modélisation est une démarche visant à réduire un système à un problème qu'il
est possible d’expérimenter ou de mettre en équation, c’est-à-dire de contrôler. Un
modèle est fondé sur des hypothèses et permet de réaliser des prédictions, c’est-à-dire
de produire des données indépendantes de celles qui ont été utilisées pour construire
les hypothèses de départ.
La dynamique du manteau semble a priori impossible à modéliser avec une expérience,
puisque la déformation des roches est très lente et difficile à réaliser en laboratoire dans
les conditions naturelles. Comme on l’a vu précédemment, ce qui est important est le
rapport des temps caractéristiques, pas le temps caractéristique lui-même. Ainsi des
scientifiques ont trouvé des fluides et des conditions de laboratoire permettant d'obtenir
des propriétés analogues à celle de la convection du manteau terrestre. Par exemple, on
chauffe doucement du sirop de glucose dans une cuve de quelques dizaines de centimètres, et le tour est joué. L’intérêt de modéliser le phénomène par une expérience est
que l’analogue est naturel : il existe vraiment (figure 7.14).
Figure 7.14
Exemple
d’expérience
analogue de
convection dans le
manteau terrestre
à l’institut de
Physique du Globe
de Paris.
Pour simuler le chauffage interne opéré par la radioactivité dans le manteau, le fluide est
chauffé par un appareillage micro-ondes. 1 : caméras, 2 : scanner motorisé pour réaliser
des images du fluide en mouvement, 3 : point d'entrée du laser. 4 : tubes pour thermostater
le fluide, 5 : plaque refroidissante, 6 : cuve contenant le fluide, 7 : antenne micro-ondes.
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